DE102007039466A1

DE102007039466A1 - Brennstoffzellenventil mit hydrophobisch verbesserter Oberfläche

Info

Publication number: DE102007039466A1
Application number: DE102007039466A
Authority: DE
Inventors: Dieter Kaimann; Dirk Wexel
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2006-08-24
Filing date: 2007-08-21
Publication date: 2008-03-27
Also published as: US20080050625A1

Abstract

eist einen Körper auf, der einen durch eine Innenfläche definierten, hindurch verlaufenden Durchgang besitzt. Es ist ein bewegliches Teil zum Schließen des Durchganges vorgesehen. Die Innenfläche und/oder das bewegbare Teil weisen eine hydrophobisch verbesserte Oberfläche auf.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Das Gebiet, zu dem diese Offenbarung allgemein gehört, umfasst Brennstoffzellensysteme, die Ventile aufweisen.
HINTERGRUND
Es ist bekannt, dass Brennstoffzellensysteme Reaktionsgasrohrleitungen aufweisen. Die Strömung eines Reaktionsgases in einen Brennstoffzellenstapel kann durch ein Ventil gesteuert werden. Es ist auch bekannt gewesen, das Kathodenreaktionsgas und/oder das Anodenreaktionsgas zu befeuchten. Unter bestimmten Betriebsbedingungen kann Wasser in den Reaktionsgasströmungssteuerventilen kondensieren. Dieses Wasser kann gefrieren, was zur Folge hat, dass das Ventil in einer offenen oder geschlossenen Position feststeckt oder nicht richtig arbeitet.
ZUSAMMENFASSUNG VON BEISPIELHAFTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
Eine Ausführungsform der Erfindung umfasst ein Produkt, das ein Brennstoffzellen-Reaktionsgassteuerventil besitzt, wobei das Steuerventil einen Körper aufweist, der einen durch eine Innenfläche definierten, hindurch verlaufenden Durchgang besitzt. Es ist ein bewegbares Teil zum Schließen des Durchganges vorgesehen. Die Innenfläche und/oder das bewegbare Teil besitzen eine hydrophobisch verbesserte Oberfläche.
Andere beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung offensichtlich. Es sei zu verstehen, dass die detaillierte Beschreibung und spezifische Beispiele, während sie die beispielhafte Ausführungsform der Erfindung angeben, nur zu Zwecken der Veranschaulichung und nicht dazu bestimmt sind, den Schutzumfang der Erfindung zu beschränken.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden aus der detaillierten Beschreibung und den begleitenden Zeichnungen besser verständlich, in welchen:
1 eine schematische Darstellung eines Brennstoffzellensystems gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist.
2 eine voraussichtliche Ansicht selektiver Komponenten eines Brennstoffzellensystems gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist.
3 ein Reaktionsgassteuerventil gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zeigt.
4 eine Klappe für ein Reaktionsgassteuerventil gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zeigt.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG BEISPIELHAFTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Die folgende Beschreibung der Ausführungsform(en) ist lediglich beispielhafter Natur und nicht dazu bestimmt, die Erfindung, ihre Anwendung bzw. ihren Gebrauch zu beschränken.
Nun Bezug nehmend auf 1 weist eine Ausführungsform der Erfindung ein Brennstoffzellensystem 10 auf, das einen Brennstoffzellenstapel 12 aufweist. Der Brennstoffzellenstapel 12 weist eine Vielzahl von Membranelektrodenanordnungen auf, die jeweils eine ionenleitende Membran aufweisen, die eine Anodenseite und eine Kathodenseite besitzt. Eine Kathodenelektrode liegt über der Kathodenseite, und ein Kathodengasdiffusionsmedium liegt über der Kathodenelektrode. Eine Anodenelektrode liegt über der Anodenseite, und ein Anodengasdiffusionsmediummaterial liegt über der Anodenelektrode. Jede Membranelektrodenanordnung ist schichtartig zwischen einem Paar von Bipolarplatten angeordnet. Die Bipolarplatten weisen Reaktionsgasströmungsfelder auf, die in deren entgegengesetzten Seiten geformt sind. Die Bipolarplatten können ferner hindurch verlaufende Kühlmitteldurchgänge aufweisen. Eine Kathodeneinlassleitung 14 liefert ein Kathodenreaktandengas, wie Sauerstoff, an den Brennstoffzellenstapel 12. Das Kathodenreaktandengas kann durch Luft vorgesehen sein, die durch eine Rohrleitung 18 in einen Befeuchter 20 eintritt, und kann anschließend durch einen Kompressor 22 druckbeaufschlagt werden, bevor sie in den Brennstoffzellenstapel 12 eintritt. Überschüssiges Kathodenreaktandengas verlässt den Brennstoffzellenstapel 12 durch eine Rohrleitung 16. Es ist eine Wasserstoffquelle 24 vorgesehen, die komprimiertes Wasserstoffgas, flüssiger Wasserstoff oder Wasserstoff aus einer Brennstoffreformierung sein kann. Optional dazu kann der Wasserstoff durch eine Rohrleitung 26 in einen Befeuchter geliefert wer den, der das Wasserstoffgas befeuchtet, bevor es durch einen Anodeneinlass 28 in den Brennstoffzellenstapel 12 eintritt. Überschüssiger Wasserstoff verlässt den Brennstoffzellenstapel 12 durch den Anodenauslass 30.
Nun Bezug nehmend auf 2 weist eine Ausführungsform der Erfindung ein Brennstoffzellen-Reaktandengassteuerventil 32 auf. Das Steuerventil 32 kann in der Kathodeneinlassleitung 14 oder der Anodeneinlassleitung 28 positioniert sein. Die Anordnung der Einlass- und Auslassleitungen und des Brennstoffzellenstapels sind für die vorliegende Erfindung nicht besonders wichtig. Bei einer Ausführungsform der Erfindung sind die Kathodeneinlassleitung 14 und die -auslassleitung 16 mit einem Kathodenverteiler 34 verbunden, der eine Trennplatte 36 aufweisen kann. Luft strömt in den Verteiler 34 auf einer Seite der Trennplatte 36 und durch einen ersten Satz von Bipolarplatten 38 in einen Wendeverteiler 40 und zurück durch einen zweiten Satz von Bipolarplatten 42. Wasserstoffgas tritt in einen Anodenverteiler 44 ein, der ähnlich dem Kathodenverteiler 34 aufgebaut ist. Der Wasserstoff strömt durch den zweiten Satz von Bipolarplatten 42 und in einen Anodenwendeverteiler 46 und zurück durch den ersten Satz von Bipolarplatten 38, wobei er die Anodenauslassrohrleitung 30 verlässt.
Nun Bezug nehmend auf die 3 und 4 weist eine Ausführungsform der Erfindung ein Brennstoffzellen-Reaktandengassteuerventil 32 auf, das einen Körperabschnitt 48 aufweist, der einen hindurch verlaufenden Durchgang 50 besitzt, der durch eine Innenfläche 52 definiert ist. Die Innenfläche 52 kann durch den Körper 48 gebildet oder durch eine Hülse (nicht gezeigt) vorgesehen sein, die in einer durch den Körper 48 geformten Bohrung aufgenommen ist. Das Ventil 32 weist ein bewegbares Teil 54 auf, das einen Abschnitt besitzt, der derart ausgebildet und angeordnet ist, um den Durchgang 50 durch den Körper 48 zu blockieren. Das Ventil 32 kann ein beliebiger Typ sein, der dem Fachmann bekannt ist, einschließlich, jedoch nicht darauf eingeschränkt, ein Kugelventil, ein Ringkolbenventil, ein Schieberventil, ein Klappenventil, ein Kolbenventil, ein Membranventil oder dergleichen. Bei einer Ausführungsform der Erfindung weist das bewegbare Teil 54 eine Klappenvorrichtung auf, die einen Stab 58, der drehbar an dem Körper 48 befestigt ist, und eine Klappe 60 aufweist, die sich von dem Stab 58 nach außen erstreckt. Ein Elektromotor 100 kann an dem Stab 58 der Klappenvorrichtung 56 angebracht sein, um die Klappenvorrichtung 56 von einer offenen Position, in der Reaktionsgase durch das Ventil strömen können, zu einer geschlossenen Position zu drehen, in der der Durchgang blockiert ist, wodurch verhindert wird, dass Reaktionsgase durch das Ventil strömen können. Die Klappe 60 weist eine erste Seite 62 und eine gegenüberliegende zweite Seite 64 und einen sich dazwischen erstreckenden Seitenrand 66 auf. Bei einer Ausführungsform der Erfindung weist die Innenfläche 52, die erste Seite 62, die zweite Seite 64 oder der Seitenrand 66 der Klappenvorrichtung 56 eine hydrophobisch verbesserte Oberfläche auf. Die hydrophobisch verbesserte Oberfläche kann durch eine Vielzahl von Mitteln vorgesehen sein, einschließlich einem mechanischen Aufrauen von einer der Oberflächen 52, 62, 64, 66, um den hydrophoben Charakter der Oberfläche zu verbessern. Bei einer anderen Ausführungsform wird eine hydrophobe Beschichtung auf zumindest einer der Flächen 52, 62, 64, 66 abgeschieden. Innerhalb des Schutzumfanges der Erfindung ist eine beliebige hydrophobe Beschichtung ausreichend, um den Kontaktwinkel der Oberflächen auf größer als 90°, größer als 100° oder größer als 150° zu erhöhen. Bei einer Ausführungsform der Erfindung weist die hydrophobe Beschichtung ein Hartwachs mit einem Schmelzpunkt von größer als 100°C oder einem Schmelzpunkt im Bereich von 100°C bis 600°C auf. Bei verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung kann die Beschichtung Polyethylen, Silikon, Polypropylen, Polytetrafluorethylen oder Nanopartikel aufweisen.
Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung können die Oberflächen 52, 62, 64, 66 dadurch hydrophobisch verbessert werden, dass die Oberflächen mechanisch aufgeraut werden, beispielsweise durch Sandstrahlen, Kugelstrahlen, Fräsen oder Schleifen. Bei einer Ausführungsform der Erfindung können die Oberflächen der Ventilkörperinnenfläche 52 und des bewegbaren Teils 54 chemisch aufgeraut werden, beispielsweise durch eine anodische Oxidation und/oder eine Ätz-/Säurebehandlung. Bei einer Ausführungsform der Erfindung ist die hydrophobe Beschichtung eine Beschichtung, die Nanopartikel aufweist, die von der BASF Corporation mit der Handelsbezeichnung LOTUS EFFECT erhältlich ist. Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung ist die hydrophobe Beschichtung ein Hartwachs, das von Tromm GmbH mit den Handelsbezeichnungen Tece-Wachs N322 FL, Polycerit PT90 und Polarwachs PT30 erhältlich ist.
Bei einer Ausführungsform der Erfindung wird der Körper des Steuerventils vorgewärmt, und anschließend wird ein Heißwachs auf die Innenfläche 52 und die Flächen 62, 64 und 66 der Klappenvorrichtung aufgebracht. Überschüssiges Wachs wird durch moderates Erwärmen des Körpers und anschließendes Kühlen des Ventils entfernt. Die hydrophobisch verbesserte Oberfläche bewirkt, dass Wasser, das in dem Ventil kondensiert, in Tröpfchenform beibehalten wird, und somit weniger Kraft erforderlich ist, um die Tröpfchen aus dem Ventil zu treiben, als diejenige Kraft, die erforderlich wäre, Wasser von dem Ventil zu entfernen, wenn das Ventil hydrophile Oberflächen aufweisen würde.
Bei anderen Ausführungsformen der Erfindung können Brennstoffzellenventile, die eine hydrophobisch verbesserte Oberfläche besitzen, in unterstromigen Leitungen(-rohrleitungen), beispielsweise in Rezirkulationsgasstromleitungen(-rohrleitungen) oder Auslassleitungen(-rohrleitungen) verwendet werden, um den Auslassdruck zu steuern oder ein Eindringen von Luft zu verhindern. Ferner ist die Verwendung eines Steuerventils mit einer hydrophobisch verbesserten Oberfläche nicht auf eine Brennstoffzellenanwendung beschränkt. Bei anderen Ausführungsformen der Erfindung kann ein Steuerventil mit einer hydrophobisch verbesserten Oberfläche in einer beliebigen Anwendung, die Feuchtgasströme betrifft, verwendet werden.
Die obige Beschreibung von Ausführungsformen der Erfindung ist lediglich beispielhafter Natur, und somit sind Abwandlungen nicht als eine Abweichung von dem Erfindungsgedanken und dem Schutzumfang der Erfindung zu betrachten.

Claims

Produkt, mit: einem Brennstoffzellensteuerventil, das einen Körper umfasst, der einen durch eine Innenfläche definierten, hindurch verlaufenden Durchgang besitzt, einem bewegbaren Teil zum Schließen des Durchganges, und wobei die Innenfläche und/oder das bewegbare Teil eine hydrophobisch verbesserte Oberfläche aufweisen.
Produkt nach Anspruch 1, wobei die hydrophobisch verbesserte Oberfläche einen Kontaktwinkel von größer als 90° besitzt.
Produkt nach Anspruch 1, wobei die hydrophobisch verbesserte Oberfläche einen Kontaktwinkel von größer als 100° besitzt.
Produkt nach Anspruch 1, wobei die hydrophobisch verbesserte Oberfläche einen Kontaktwinkel von größer als 150° besitzt.
Produkt nach Anspruch 1, wobei die hydrophobisch verbesserte Oberfläche eine Beschichtung umfasst, die ein Wachs umfasst.
Produkt nach Anspruch 5, wobei das Wachs eine Schmelztemperatur von größer als 100°C besitzt.
Produkt nach Anspruch 5, wobei das Wachs einen Schmelzpunkt zwischen 100°C bis 160°C besitzt.
Produkt nach Anspruch 1, wobei die hydrophobisch verbesserte Oberfläche eine Beschichtung umfasst, die ein Polyethylen umfasst.
Produkt nach Anspruch 1, wobei die hydrophobisch verbesserte Oberfläche eine Beschichtung umfasst, die ein Silikon umfasst.
Produkt nach Anspruch 1, wobei die hydrophobisch verbesserte Oberfläche eine Beschichtung umfasst, die Nanopartikel umfasst.
Produkt nach Anspruch 1, wobei die hydrophobisch verbesserte Oberfläche eine Beschichtung umfasst, die Polypropylen umfasst.
Produkt nach Anspruch 1, wobei die hydrophobisch verbesserte Oberfläche eine Beschichtung umfasst, die Polytetrafluorethylen umfasst.
Produkt nach Anspruch 1, wobei die hydrophobisch verbesserte Oberfläche eine Oberfläche umfasst, die mechanisch aufgeraut worden ist.
Produkt nach Anspruch 1, wobei das bewegbare Teil eine Kugel umfasst.
Produkt nach Anspruch 1, wobei das bewegbare Teil eine Klappenvorrichtung umfasst.
Produkt nach Anspruch 1, wobei das bewegbare Teil einen Schieber umfasst.
Produkt nach Anspruch 1, wobei das bewegbare Teil einen Kolben umfasst.
Produkt nach Anspruch 1, wobei das bewegbare Teil eine Membran umfasst.
Produkt nach Anspruch 1, wobei die hydrophobisch verbesserte Oberfläche eine Oberfläche umfasst, die durch Sandstrahlen, Kugelstrahlen, Fräsen und/oder Schleifen mechanisch aufgeraut worden ist.
Produkt nach Anspruch 1, wobei die hydrophobisch verbesserte Oberfläche eine Oberfläche umfasst, die chemisch aufgeraut worden ist.
Produkt nach Anspruch 1, wobei die hydrophobisch verbesserte Oberfläche eine Oberfläche umfasst, die unter Verwendung einer anodischen Oxidation und/oder Ätz/Säurebehandlung chemisch aufgeraut worden ist.
Produkt nach Anspruch 1, ferner mit einem Brennstoffzellenstapel und einer Anodeneinlassrohrleitung, einer Anodenauslassrohrleitung, einer Kathodeneinlassrohrleitung und einer Kathodenauslassrohrleitung, von denen jede mit dem Brennstoffzellenstapel verbunden ist, und wobei das Brennstoffzellensteuerventil mit der Anodeneinlassrohrleitung, der Anodenauslassrohrleitung, der Kathodeneinlassrohrleitung und/oder der Kathodenauslassrohrleitung verbunden ist.
Produkt nach Anspruch 22, ferner mit einem Befeuchter, der mit der Anodeneinlassrohrleitung und/oder der Kathodeneinlassrohrleitung verbunden ist, um ein in den Stapel strömendes Reaktandengas zu befeuchten.
Produkt nach Anspruch 1, ferner mit einem Brennstoffzellenstapel und einer mit dem Brennstoffzellenstapel verbundenen Kathodeneinlassrohrleitung oder Kathodenauslassrohrleitung und einem Befeuchter, der mit der Kathodeneinlass- und/oder Kathodenauslassrohrleitung verbunden ist, um ein in den Stapel strömendes Kathodenreaktandengas zu befeuchten, und wobei das Brennstoffzellen-Reaktandengassteuerventil mit der Kathodeneinlassrohrleitung oder der Kathodenauslassrohrleitung verbunden ist.
Produkt, mit: einem Steuerventil, das einen Körper umfasst, der einen durch eine Innenfläche definierten, hindurch verlaufenden Durchgang besitzt, einem bewegbaren Teil zum Schließen des Durchganges, und wobei das Steuerventil von einer geschlossenen Position in eine offene Position bewegbar und in teilweise offene Positionen dazwischen bewegbar ist, und ferner mit einer Rohrleitung, die mit dem Steuerventil verbunden und derart aufgebaut und angeordnet ist, um einen Feuchtgasstrom durch die Rohrleitung und das Steuerventil zu führen, wenn das Steuerventil in einer offenen oder teilweise offenen Position ist, und die hydrophobisch verbesserte Oberfläche ausreichend ist, um zu verhindern, dass das Ventil in einer Position aufgrund einer Verfestigung von Feuchtigkeit von einem durch das Steuerventil strömenden Feuchtgasstrom gefriert, und wobei die Innenfläche und/oder das bewegbare Teil eine hydrophobisch verbesserte Oberfläche aufweisen.
Produkt nach Anspruch 25, wobei die hydrophobisch verbesserte Oberfläche eine Beschichtung umfasst, die ein Wachs umfasst.
Produkt nach Anspruch 26, wobei das Wachs eine Schmelztemperatur von größer als 100°C besitzt.
Produkt nach Anspruch 26, wobei das Wachs einen Schmelzpunkt zwischen 100°C bis 160°C besitzt.
Produkt nach Anspruch 25, wobei die hydrophobisch verbesserte Oberfläche eine Beschichtung umfasst, die ein Polyethylen umfasst.
Produkt nach Anspruch 25, wobei die hydrophobisch verbesserte Oberfläche eine Beschichtung umfasst, die ein Silikon umfasst.
Produkt nach Anspruch 25, wobei die hydrophobisch verbesserte Oberfläche eine Beschichtung umfasst, die Nanopartikel umfasst.
Produkt nach Anspruch 25, wobei die hydrophobisch verbesserte Oberfläche eine Beschichtung umfasst, die Polypropylen umfasst.
Produkt nach Anspruch 25, wobei die hydrophobisch verbesserte Oberfläche eine Beschichtung umfasst, die Polytetrafluorethylen umfasst.
Produkt nach Anspruch 25, wobei die hydrophobisch verbesserte Oberfläche eine Oberfläche umfasst, die mechanisch aufgeraut worden ist.
Produkt nach Anspruch 25, wobei das bewegbare Teil einen Ringkolben, eine Kugel, eine Klappenvorrichtung, einen Schieber, einen Kolben und/oder eine Membran umfasst.
Produkt nach Anspruch 25, wobei die hydrophobisch verbesserte Oberfläche eine Oberfläche umfasst, die durch Sandstrahlen, Kugelstrahlen, Fräsen und/oder Schleifen mechanisch aufgeraut worden ist.
Produkt nach Anspruch 25, wobei die hydrophobisch verbesserte Oberfläche eine Oberfläche umfasst, die chemisch aufgeraut worden ist.
Produkt nach Anspruch 25, wobei die hydrophobisch verbesserte Oberfläche eine Oberfläche umfasst, die unter Verwendung einer anodischen Oxidation und/oder Ätz/Säurebehandlung chemisch aufgeraut worden ist.